经验在调节语言与认知之间联系中的关键作用：来自6至7个月大婴儿物体范畴化的证据

摘要

在3至4个月大时，聆听人类和非人类灵长类动物的发声能够促进婴儿的认知发展；到6个月大时，只有人类的发声具有这种认知促进作用。我们描述了一种暴露操纵方法，揭示了经验在婴儿选择将哪些声音与认知关联、哪些声音忽略不计的过程中所起的强大塑造作用。

摘要

出生时，婴儿不仅更喜欢聆听人类的声音，而且已开始将这些声音与认知联系起来：对于低至三个月大的婴儿而言，聆听人类语言有助于物体分类，这是一种核心的认知能力。这种早期的关联最初较为宽泛：在3至4个月大时，人类和非人灵长类动物的发声均能支持物体分类。但到6个月大时，婴儿已缩小了这种关联范围：只有人类的发声能够支持物体分类。本文探讨婴儿在将最初宽泛的关联调整为仅由人类物种发声激活的更精确关联过程中，哪些因素起到了引导作用。通过三项研究，我们采用一种新颖的暴露范式来考察经验的影响。我们发现，仅仅让婴儿接触非人灵长类动物的发声，就能使其保持这种信号与分类能力之间早期建立的联系。相比之下，让婴儿接触逆向言语——一种在任何年龄阶段都无法支持分类的信号——则无法产生此类优势。我们的研究结果揭示了早期经验在婴儿逐步特化其认知关联过程中的重要作用 哪一个 信号，从最初广泛的一组中，将继续与认知相关联。

引言

人类婴儿天生就具备习得语言的能力，而语言作为一种文化与认知工具，定义了我们这个物种，并从根本上塑造了我们的发育过程。人类学习语言能力的核心在于人类发育过程中的两个独特特征：早产性（altriciality）和强大的学习策略。这两个特征共同开启了显著的早期可塑性，使婴儿能够高度适应其所处环境中的输入信息。例如，尽管婴儿出生时具有一系列知觉偏好和辨别能力，其范围足以涵盖人类和非人类灵长类的面孔与声音，但在数月之内，他们便会将这些偏好缩小至仅针对人类的信号^1,2,3。这种知觉窄化过程在两个方面具有适应性意义：它提高了相关交际信号的信噪比——即那些将引导婴儿高效而准确地应对复杂社会环境的信号——同时为跨知觉模态的信息整合（e.g.，面孔与声音的整合）铺平了道路⁴，而跨模态整合正是人类语言多模态特性的关键要素。此外，由于婴儿早期具有高度可塑性，通过接触非母语信号（e.g.，非母语语言、非人类面孔、外国音乐节奏）可以阻止甚至逆转知觉窄化过程^5,6,8。这表明，知觉窄化是由经验驱动的。

即使尚未掌握母语，婴儿也必须做更多的事情，而不仅仅是关注说话者的面部表情和声音。人类语言的能力与认知密不可分⁹。令人难以置信的是，甚至在出生后的第一年内，婴儿便已开始将语言与认知联系起来：仅仅聆听人类语言就能促进婴儿形成物体类别的能力，这是其认知发展的基本组成部分^10,11,12。

这并不是说婴儿只有在听到语言时才能形成物体类别。相反，数十年的研究表明，婴儿在生命最初几个月内，即使没有任何声音，也能形成至少某些物体类别¹³。但并非所有物体类别对婴儿而言都同样容易形成。那些稍难一些的类别为揭示语言是否对婴儿的分类能力产生影响提供了有力的研究机会。为此，研究人员会确定那些在缺乏其他支持性信息（如语言）的情况下婴儿较难分辨的物体类别，然后探究语言（及其他声音）是否能为婴儿的分类过程带来任何优势。

基于这一逻辑，已有研究通过一种适用于非常年幼婴儿的新奇偏好范式，记录到语言与物体分类之间早期的关联（图1b）¹¹。该范式包含两个阶段。在熟悉阶段，所有婴儿依次观看一系列不同物体（例如，恐龙）的图像，同时伴随声音刺激。在测试阶段，所有婴儿在无声条件下观看两张新图像：其中一张属于此前已熟悉的类别中的新成员（例如，另一只恐龙），另一张则属于一个全新的类别（例如，一条鱼）。婴儿在测试阶段的注视时间作为其分类能力的指标。如果婴儿在熟悉阶段成功形成了类别表征，那么在测试阶段，他们应能区分新类别与熟悉类别的图像；若未能形成类别表征，则其在测试阶段的表现应接近随机水平^14,15,16。

结果令人瞩目。在3、4和6个月时，婴儿在熟悉化阶段聆听语言——而非音调序列——能够成功形成物体类别^11,17。令人惊讶的是，语言并非唯一具有这种认知优势的声音：在3和4个月时，聆听非人类灵长类动物的声音（马达加斯加蓝眼狐猴：Eulemur macaco flavifrons）与聆听人类发声一样，也能带来相同的认知优势¹⁷。然而，到6个月大时，婴儿已将这种最初广泛存在的关联特化为仅对人类发声敏感；狐猴的发声此时不再对婴儿的类别形成产生促进作用¹⁷。

但是什么机制支撑着婴儿在语言与认知之间建立联系时精确性不断提高？在此，我们探讨婴儿经验所起的作用。婴儿在人类语言方面的丰富经验（以及他们在聆听狐猴叫声方面经验的缺乏）是否在他们逐步缩小这一能力范围的过程中发挥了作用？ 链接 在最初具有优势的信号之间（例如，人类和非人灵长类动物的发声）与物体范畴化这一核心认知过程之间存在何种关联？诚然，我们无法通过操控婴儿的语言暴露来检验这一问题。但我们能够操控他们对狐猴发声的暴露。我们聚焦于6至7个月大的婴儿——这些婴儿在缺乏暴露的情况下，已不再将狐猴发声与物体范畴化联系起来¹⁷在实验1中，我们探究短暂接触狐猴叫声是否能使婴儿保持该信号与物体范畴化之间的关联。在实验2中，我们探究短暂接触逆向言语——一种在任何年龄阶段均无法支持物体范畴化的信号——是否会产生类似效果¹⁷ — 同样促进物体分类。在实验3中，我们对暴露效应进行了更严格的检验，考察对狐猴叫声更长时间的暴露是否能够使其保持最初广泛的关联。

方案

以下实验程序已获得西北大学机构审查委员会的批准，并已从所有婴儿的监护人处获得知情同意。我们招募了在英语暴露量超过50%的环境中抚养的婴儿^11,17。所有实验中的婴儿首先聆听一段音轨，在其中我们操控其暴露于狐猴叫声或倒放语音的条件；随后，他们参与一项物体分类任务。不同婴儿之间的差异在于：（a）他们在暴露操控阶段及分类任务中所听到的信号类型（狐猴叫声或倒放语音）；（b）暴露阶段的持续时间（在实验室进行短暂暴露，或在家中进行长期暴露）。对所有婴儿而言，分类任务均在实验室中进行。

1. 材料

1. 如何创建暴露操控
   1. 选取8个不同的狐猴发声样本和8个不同的逆向语音样本，每个样本持续时间为2到4秒。这8个样本合计应分别提供30秒的每种声学信号。确保狐猴发声片段与逆向语音片段在持续时间上尽可能匹配。例如，持续时间约3秒）以及平均频率（例如，约300 Hz。
      1. 为获取狐猴的叫声，可搜索动物叫声数据库，或联系采集动物叫声的研究人员。
      2. 为了创建反向语音片段，使用一台笔记本电脑和一款软件程序（例如，Audacity）用于（1）录制研究助理以儿向语调说出约3秒长的句子，以及（2）在Audacity中进行时间反向处理（效果 > 反转）每个语音片段。
   2. 选择一段时长超过 4 分钟的经典器乐作品。本实验中使用了贝多芬《c 小调弦乐四重奏，作品 18 第 4 号》第三乐章：小步舞曲的前 4 分钟。
   3. 使用音频编辑软件程序（例如，Audacity）导入音乐（在 Audacity 中：文件 > 导入）并选取其中约4分钟时长的片段（高亮显示并删除其余部分）。
      1. 通过插入创建 2 个不同的音轨（即将每种类型的8个选定片段（狐猴叫声或倒放语音）复制并粘贴到音乐音轨中。
      2. 要创建 "狐猴" 配乐，使用同一软件程序打开8个狐猴发声的音频文件（例如，Audacity）并将其插入到音乐文件中。
         1. 为此，需选中整个狐猴的叫声，然后进入编辑菜单 > 复制，将光标置于音乐文件中，然后导航至编辑 > 粘贴。将叫声以不规则的时间间隔插入音轨中，避免将其置于音乐乐句的边界处。每种狐猴叫声需重复插入两次，采用伪随机化顺序排列，确保相同的叫声不会连续出现。最终形成一个5分钟的循环（包含4分钟音乐和1分钟穿插其中的狐猴叫声）。
         2. 将这段5分钟的音轨重复一次，使整个音轨总时长约为10分钟。操作方法为：选中完整的5分钟片段，然后进入编辑菜单 > 复制，将光标置于5分钟片段的末尾，然后导航至编辑 > 糊状物
      3. 创建10分钟 "倒序言语" 音轨，使用相同的伪随机顺序，将狐猴音轨中的每一段狐猴叫声替换为选定的逆向语音片段。
2. 如何创建分类任务
   1. 视觉材料：手工绘制两组线描图。每组包含同一物体类别中的9个成员（此处使用9幅不同的恐龙图和9幅不同的鱼图）。在同一类别中，每幅图使用不同的亮色。将这些图画扫描到计算机中，并保存为图像文件。注意，所绘物体应对测试年龄段的婴儿而言是不熟悉的。
   2. 声学材料：从未包含在任一暴露操控（1.1.3）中的声音片段中，选择一段狐猴叫声和一段倒放的语音片段。尽可能匹配狐猴叫声与倒放语音片段的持续时间。例如，持续时间约3秒）以及平均频率（例如，约300 Hz）。
   3. 在 MATLAB 中编写一个包含熟悉阶段和测试阶段的任务程序；该程序将投影到婴儿前方一块 5 英尺 × 5 英尺的屏幕上。
      1. 设置熟悉阶段程序，使来自单一类别的8个视觉范例（例如，8只恐龙，每只颜色不同）依次出现。每个示例应显示20秒，交替出现在屏幕的右侧或左侧。创建2个不同版本，将每个熟悉化示例与以下声学刺激之一配对（"狐猴" 和 "倒序言语" 条件）。在这两种条件下，每个熟悉化试验中的声学刺激均应出现两次：第一次与视觉范例同时出现，第二次在10秒后再次呈现。
         1. 在狐猴条件中，将每个熟悉化示例设置为与狐猴的叫声同时呈现。
         2. 在倒放语音条件下，将每个熟悉化样例设置为与一段倒放的语音同时呈现。
      2. 在测试阶段，呈现9^th 来自熟悉类别的示例（例如，另一种恐龙）以及另一类中的一个代表性物种（例如，一种鱼）。这两幅图像应在颜色上完全相同，并静音同时呈现（一幅显示在屏幕右侧，另一幅显示在屏幕左侧），持续20秒。
   4. 在编程分类任务时，需对以下三项进行平衡：（1）在熟悉阶段呈现的类别，（2）首个熟悉图像出现的一侧，以及（3）新异测试图像与熟悉测试图像出现的一侧。

2. 常规操作步骤

1. 暴露阶段
   1. 将婴儿安置在照顾者附近或其膝上，环境应保持安静。将笔记本电脑或平板电脑放置在婴儿视线范围内（距离婴儿1至4英尺处）。
   2. 使用笔记本电脑或平板电脑播放狐猴声音或倒放语音音轨。
2. 分类任务
   1. 在实验室半昏暗的测试房间内，让照顾者坐在距离5英尺×5英尺屏幕4英尺远的椅子上。将安装有MATLAB编程分类任务的笔记本电脑连接至（1）用于显示分类任务的屏幕，以及（2）将任务投影到屏幕上的投影仪。
   2. 让婴儿面朝前坐在照顾者的膝上。
   3. 指导照顾者避免以任何方式影响婴儿的行为。具体而言，要求他们在整个任务过程中保持安静和静止，并以自身中线为参考，使婴儿保持在中心位置。为照顾者提供一副遮光眼镜，以确保其无法看到视觉材料。
   4. 打开投影仪。
   5. 启动录像设备，以全程记录婴儿的行为表现。
   6. 在MATLAB中按下"Run"开始分类任务：若婴儿此前暴露于狐猴音轨，则呈现狐猴条件；若婴儿此前暴露于倒放语音音轨，则呈现倒放语音条件。
3. 编码（仅限分类任务）
   1. 编码每个婴儿在熟悉阶段和测试阶段向左和向右注视的起始与结束时间。
   2. 排除以下婴儿：（1）注视的熟悉范例少于6个；（2）在熟悉阶段注视时间少于总时长的40%。若出现家长干扰、实验错误、技术故障，或婴儿在测试阶段的表现超出平均值2个标准差以上，也应予以排除。
4. 分析
   1. 针对熟悉阶段，计算每个婴儿注视熟悉物体的总时长。
   2. 针对测试阶段，为每个婴儿计算偏好分数：（对新异测试图像的总注视时间）/（对两个测试图像的总注视时间）。

3. 实验1：狐猴叫声的短暂暴露

1. 参与者
   1. 招募14名6至7个月大的婴儿。
2. 步骤
   1. 邀请照护者和婴儿进入一个安静、舒适的房间。在我们的实验室中，该房间与测试室相邻。
   2. 暴露操控：播放一次狐猴音轨，同时启用音乐可视化器（例如，屏幕上显示的 iTunes。
   3. 分类任务：当音轨播放结束后，引导照护者和婴儿进入测试房间，开始分类任务（狐猴条件）。

4. 实验2：短暂暴露于逆向语音

1. 参与者
   1. 与实验1相同。
2. 实验程序
   1. 邀请照护者和婴儿进入一个安静、舒适的房间。
   2. 暴露操控：播放一次倒放语音音轨，同时在屏幕上显示音乐可视化画面。
   3. 分类任务：音轨播放结束后，引导照护者和婴儿进入测试房间，开始分类任务（倒放语音条件）。

5. 实验3：狐猴叫声的长期暴露

1. 参与者
   1. 在4.5月龄时招募14名婴儿。
2. 步骤
   1. 通过电话邀请看护人参与一项为期6周的研究。说明该研究要求他们在家中让婴儿聆听一段包含8分钟音乐和2分钟狐猴叫声的10分钟音轨。即，狐猴原声）。说明研究持续6周，从婴儿4.5个月大时开始，至6个月大时结束。
   2. 为护理人员提供此精确的减量方案^7,8,18
      1. 第1周：每天一次，每日播放婴儿音效。
      2. 第2周：每隔一天为婴儿播放一次配乐。
      3. 第3周：本周内向婴儿播放3次该配乐。
      4. 第4至6周：每周播放2次婴儿声音配乐。
   3. 为确保在为期6周的暴露干预过程中干预操作的准确性，向照护者提供一份在线交互式文档，该文档需：（a）详细说明照护者在整个6周期间每一步骤中的职责；（b）要求照护者记录每次向婴儿播放音频内容的具体日期和时间。
   4. 通过电话或电子邮件发送每周提醒，以保持照护者的参与度并确保进度。
   5. 在第5周时，安排下一周（第6周）的实验室访问。指导看护人让婴儿在预定实验室访问日期前2至4天内聆听音轨；婴儿在访问当天或前一天不应聆听该音轨。
      注意：在实验室访问期间，不进行暴露干预：婴儿仅参与实验1中的范畴化任务（狐猴条件）。

结果

根据上述流程（图1），我们开展了三项实验，以检验婴儿在逐步建立特定声音与认知之间联系的过程中，接触经验所产生的影响。

实验1的结果显示，短时间接触狐猴的叫声产生了显著影响。接触过狐猴叫声的七个月大婴儿显著更倾向于选择新的测试图像，M = 0.57，SD = 0.09；t(13) = 3.12，p = 0.008，d = 1.73（图2）。他们在形成物体类别方面的成功，与未接受暴露的同龄婴儿无法完成此类任务的表现形成鲜明对比，而该年龄段的婴儿此前已对狐猴叫声失去敏感性¹⁷。相比之下，实验2的结果显示，短时间接触倒放语音并无影响。接触过倒放语音的七个月大婴儿表现处于随机水平，M = 0.47，SD = 0.11；

讨论

本文概述了一种研究经验在婴儿早期将声音与核心认知过程相联系中所起作用的实验方法。我们的系列实验首次提供了证据，表明经验在引导婴儿从最初广泛的可能信号中确定哪些信号将与其核心概念过程相联系方面起着关键作用，而这些核心概念过程最终构成了意义的基础。研究还揭示了先天与后天之间复杂的相互作用：尽管经验在决定婴儿最初与认知相联系的广泛信号集合方面作用甚微甚至没有作用¹⁷，但在引导婴儿从最初被优先关注的信号集合中忽略无关信号，并转而关注那些他们将持续与意义相联系的信号方面，经验则至关重要。

我们的暴露实验程序表明，在6个月和7个月时，狐猴的发声与物体分类之间的关联原本会被中断¹⁷，仅仅让婴儿接触这一信号就会产生显著效果。这与感知范围窄化文献中观察到的现象类似^5,6,7,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
笔记本电脑 1			用于播放暴露阶段的声音内容；建议使用 iTunes 可视化功能
笔记本电脑 2			用于编程和呈现分类任务
笔记本电脑 3（可选）			用于编码婴儿注视行为（也可使用上述任一笔记本电脑）
编码软件	SuperCoder		用于编码婴儿注视行为
录像设备			用于记录婴儿面部（在分类任务期间的注视行为）
混音器			用于整合来自录像设备的信息（婴儿注视行为）和视觉刺激（分类任务）
DVD 播放器			用于记录来自录像设备的输入信号（婴儿注视行为）
电视机			用于查看混音器的输出信号（画中画；在显示婴儿注视行为的屏幕角落呈现分类任务）
投影仪			用于将分类任务的视觉刺激投射到屏幕上
扬声器			用于在分类任务期间呈现听觉刺激
遮光太阳镜			用于在分类任务期间遮挡看护者的视线
统计分析软件	R		用于分析婴儿注视行为